Conversão de um veículo de combustão em veículo elétrico

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica

ISEL

Conversão de um Veículo de Combustão em

Veículo Eléctrico

PEDRO ALEXANDRE BENTO GRÁCIO CONSTANTINO

(Licenciado em Engenharia Mecânica)

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, ramo Manutenção e Produção.

Orientador (es):

Doutora Maria Amélia Ramos Loja Mestre Luís Manuel Barbosa da Cunha

Júri:

Presidente:Doutor João Manuel Ferreira Calado

Vogais:

Mestre Nuno Paulo Ferreira Henriques Doutora Maria Amélia Ramos Loja

i

Resumo

Cada vez mais, a presença dos veículos eléctricos tem vindo a tornar-se uma constante na vida das populações, devido á variação constante do preço dos combustíveis fosseis e à ausência de emissões para a atmosfera de compostos tóxicos causadores do efeito de estufa. Esta ausência é possível se o carregamento dos veículos eléctricos for realizado a partir de fonte de energia renovável. Ainda assim, as alternativas propostas pelos fabricantes de automóveis nesta área são ainda algo dispendiosas, fazendo com que a conversão de veículos convencionais em eléctricos possa ser encarada como uma alternativa pela população.

Neste trabalho foi efectuado inicialmente, um levantamento dos principais componentes que estão presentes num veículo eléctrico a bateria, nomeadamente ao nível das características técnicas, alternativas existentes para cada componente, bem como os princípios físicos que afectam a eficiência dos veículos eléctricos e convencionais.

Numa segunda fase, procedeu-se à descrição de outros tipos de veículos eléctricos existentes, bem como os postos de carregamento, passando pela legislação a cumprir num processo de conversão, e à apresentação de um caso de estudo, no qual foram descritas todas as fases pelas quais o veículo passou durante a conversão. Efectuou-se finalmente uma análise de viabilidade económica.

Por último constatou-se que a conversão de veículos convencionais em eléctricos pode ser vantajosa, embora para um processo desta natureza devem ser analisados um conjunto de parâmetros tais como a idade do veículo, a solução tecnológica a implementar e o investimento do próprio processo.

Palavras-chave: Conversão de veículos, veículos eléctricos, veículos eléctricos híbridos,

iii

Abstract

Increasingly, the presence of electric vehicles has become a constant in the life of the population, due to the constant change in the price of fossil fuels and the lack of air emissions of toxic compounds that cause the greenhouse effect. This absence is possible if the charging of electric vehicles is made from a renewable energy source. Still, the alternatives proposed by car manufacturers in this area are still somewhat costly, making the conversion from conventional to electric vehicles can be regarded as an alternative for the population.

In this work was carried out initially, a survey of the main components that are present in a battery electric vehicle, particularly in terms of technical characteristics, alternatives for each component as well as the physical principles that affect the efficiency of electric and conventional vehicles.

In a second phase, a description of the other types of electric vehicles was presented, as well as the legislation required to fulfill a conversion process and a case study, in which was described every stage that the vehicle crosses trough during the conversion. Later an economic viability analysis was made.

Finally it was found that the conversion of conventional vehicles into electric can be advantageous, although for such a process should be analyzed a number of parameters such as the age of the vehicle, the technical solution to implement and the investment of the process itself.

Keywords: Conversion of vehicles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell electric vehicles, battery, electric motor.

v

Agradecimentos

Agradeço aos meus orientadores, Prof. Doutora Maria Amélia Loja e ao Mestre Luís Cunha pela disponibilidade, dedicação e por terem tornado possível a realização deste trabalho de projecto.

Agradeço á minha família o apoio prestado, em especial á minha irmã e aos meus pais pelos sacrifícios e esforço que fizeram para que pudesse cumprir mais esta etapa da minha vida.

Agradeço á Sandra Freitas e ao Celso Menaia, a forma como fui recebido e por terem colocado á disposição a residência de ambos, durante a minha estadia na Holanda.

Agradeço a todos os colaboradores e gerência da empresa New Electric, nomeadamente ao Anne Kloppenborg, Raymond Deirkauf e Celso Menaia, o acesso às instalações da empresa e á informação necessária, para a construção do caso de estudo apresentado neste trabalho final de mestrado.

Agradeço ao Engenheiro Pedro Melo, a disponibilidade demonstrada para prestar esclarecimentos sempre que tal fosse necessário, para além da partilha de informação relevante.

Agradeço ao Paulo Almeida da Área Departamental de Engenharia Electrotécnica em Energia e Automação (ADEEEA), o tempo disponibilizado e toda a ajuda prestada sempre que tal foi necessário.

Agradeço ao Engenheiro Hugo Maio da EDP, a disponibilidade e o apoio prestado na elaboração do tópico referente aos postos de carregamento de veículos eléctricos.

Por fim e não menos importante agradeço a todos os amigos e conhecidos, que de alguma forma contribuíram para a construção deste trabalho, em especial á Carla Martins, ao Micael Ivan, Tiago Brázio, Vergílio Sesta e ao Sr. Fernando Lourenço. .

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Índice

1. Introdução ... 1

1.1 - Conversão de um Veiculo de Combustão para Eléctrico – O Porquê ... 1

1.2 - Objectivos... 4

1.3 - Motivação ... 5

1.4 - Estrutura do Trabalho de Projecto ... 5

2. Estado de Arte ... 7

2.1 - Introdução... 7

2.2 - Princípios Físicos que Afectam a Eficiência do Veiculo ... 9

2.2.1 – Resistência ao rolamento ... 10

2.2.2 – Atrito aerodinâmico ... 13

2.2.3 – Componente tangencial do peso ... 13

2.3 -Veículos Eléctricos ... 14

2.3.1 - Baterias... 16

2.3.1.1 - Baterias de Chumbo-Ácido (Pb) ... 17

2.3.1.2 - Baterias de Níquel - Cádmio (NiCd) ... 19

2.3.1.3 - Baterias de Hidreto metálico de Níquel (NiMH) ... 20

2.3.1.4 - Baterias de Sódio - Enxofre (NaS) ... 22

2.3.1.5 - Baterias de Cloreto de Níquel - Sódio Metálico (ZEBRA) ... 23

2.3.1.6 - Baterias de Iões de Litio (Li-Ion) ... 24

2.3.1.7 - Baterias de Polímero de Lítio ... 26

2.3.1.8 - Baterias de Lítio Fosfato de Ferro (LiFePO4) ... 27

2.3.1.9 - Baterias de Ar-Alumínio ... 28

2.3.1.10 - Baterias de Ar-Zinco ... 29

2.3.1.11 - Análise Comparativa de Baterias ... 31

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2.3.3 - Super Condensador ... 35

2.3.4 - Sistema de Propulsão ... 37

2.3.5 - Motor Eléctrico ... 39

2.3.5.1 – Motor Síncrono de Magnetos Permanentes ... 41

2.3.5.2 – Motor de Indução Trifásico ... 42

2.3.5.3 – Análise Comparativa de Motores Eléctricos... 45

2.4 – Veículos Eléctricos Híbridos ... 47

2.4.1 – Configurações dos HEVs ... 48

2.4.1.1 - Série... 48

2.4.1.2 - Paralela ... 50

2.4.1.3 - Série – Paralela ... 52

2.4.1.4 – Complexa ... 53

2.4.1.5 - PHEVs ... 53

2.5 – Veículos Eléctricos a Célula de Combustível ... 54

2.6 – Análise Comparativa de Veículos Eléctricos... 56

3 – Postos de Carregamento... 59

3.1 – Introdução ... 59

3.2 – Modos de carregamento ... 59

3.3 - Postos de carregamento na via pública (Rede Mobi.E) ... 66

3.4 - Fichas e tomadas utilizadas nos postos de carga e EV ... 68

3.5 - Posto de carregamento rápido instalado na rede Mobi.E ... 69

3.6 - Postos de carregamento em garagens ... 70

4 - Legislação ... 73

4.1 – Introdução ... 73

4.2 - Homologação de veículos ... 73

4.2.1 - Decreto-lei Nº 16/2010... 73

ix

4.2.2.1 – Segurança do sistema eléctrico ... 75

Protecção contra contacto directo ... 75

Conectores ... 76

Protecção contra contacto indirecto ... 76

Funcionamento em Segurança ... 76

Indicação de tensão elevada ... 76

4.2.2.2 – Segurança das baterias ... 77

Vibrações ... 77

Choques Térmicos ... 77

4.2.2.3 - Marcações ... 78

4.3 - Centros de inspecções ... 79

4.4 - Isenções ... 79

4.4.1 - Imposto Único de Circulação ... 79

4.4.2 – Parques de Estacionamento EMEL ... 79

5 – Caso de Estudo ... 81

5.1 – Introdução ... 81

5.2 – Descrição do processo de conversão ... 82

5.3.1 – Remoção dos componentes desnecessários ... 82

5.3.2 – Componentes colocados no veículo ... 86

5.3.2.1 – Baterias ... 86

5.3.2.2 – Sistema de gestão da bateria ... 88

5.3.2.3 – Sistemas de Carregamento de Baterias (carregamento normal e rápido) . 88 5.3.2.4 – Monitor de Bateria... 90

5.3.2.5 – Conversor DC/DC ... 91

5.3.2.6 – Motor Eléctrico ... 91

5.3.2.7 – Controlador ... 94

x

5.3.2.9 – Interruptor de Inércia ... 95

5.3.2.10 – Dispositivos de protecção ... 96

Fusíveis ... 96

5.4 – Viabilidade Económica do Projecto ... 96

6 - Conclusões ... 113

7 – Propostas para trabalhos futuros ... 115

8 – Referências Bibliográficas ... 117

ANEXO A ... 127

ANEXO B ... 133

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Índice de Figuras

Figura 1 – Evolução da dependência energética de Portugal [4] ... 2

Figura 2 - Evolução do consumo de gás natural por sector em Portugal (tep) [4] ... 2

Figura 3 - Evolução do consumo final de petróleo por sector em Portugal (tep) [4] ... 3

Figura 4- Evolução das vendas de EVs em Portugal (Elaborado a partir de informação cedida pela ACAP) ... 4

Figura 5 – Forças generalizadas aplicadas a um veículo num plano inclinado. Adaptado de [20] ... 10

Figura 6 – Reacção da superfície sobre o pneu em repouso. Retirado de [20] ... 10

Figura 7 - Superfície dura. Adaptado de [20] ... 11

Figura 8 - Superfície macia. Adaptado de [20] ... 11

Figura 9 - Configuração Básica de um EV. Adaptado de [20] ... 15

Figura 10 – Interior de uma bateria Chumbo-Ácido (Pb) [27] ... 18

Figura 11 - Componentes de uma bateria Chumbo-Ácido (Pb) [28] ... 18

Figura 12 - Conjunto de baterias de NiCd [29] ... 19

Figura 13 - Conjunto de baterias NiMH Toyota (vista de cima) [31] ... 21

Figura 14 – Conjunto de baterias NiMH Toyota (vista lateral) [32] ... 21

Figura 15 - Constituintes de uma bateria de NaS [34] ... 22

Figura 16 - Exemplo de bateria Zebra fabricada na Suíça [35] ... 23

Figura 17 - Bateria Zebra instalada num autocarro eléctrico Gulliver de fabrico Italiano [35] ... 24

Figura 18 – Exemplo de uma bateria de iões de Lítio [37] ... 25

Figura 19 - Bateria de Polímero de Lítio produzida pela Lockheed –Martin [39] ... 26

Figura 20 - Bateria de LiFePO4 [42] ... 27

Figura 21 - Figura – Autocarro alimentado a baterias de LiFePO4 [43] ... 28

Figura 22 - Bateria de Ar - Alumínio produzida pela empresa Phinergy [46] ... 29

Figura 23 - Bateria de Ar – Zinco [47] ... 30

Figura 24 - Pormenor da bateria de Ar – Zinco [47] ... 30

Figura 25 - Interior de um Volante de Inércia [20]... 35

Figura 26 - Interior de um Super Condensador [59] ... 36

Figura 27 - Conjunto de Super Condensadores [54] ... 36

Figura 28 - Configurações possíveis do sistema de propulsão nos EVs [53]... 38

xii

Figura 30 - Representação esquemática do Motor Síncrono de Magnetos Permanentes

(Adaptado de [64]) ... 41

Figura 31 – Rotor em Gaiola [67] ... 42

Figura 32 - Rotor Bobinado [69] ... 43

Figura 33 - Ligação às resistências rotóricas [64] ... 43

Figura 34 - Principais técnicas de controlo de velocidade/binário [70] ... 44

Figura 35 - Configuração Série (Adaptado de [53]) ... 48

Figura 36 - Chevrolet volt [79] ... 49

Figura 37 - HEV Paralela (Adaptado de [53]) ... 50

Figura 38 - Honda Insight [78] ... 51

Figura 39 - Configuração Série – Paralela (Adaptado de [53]) ... 52

Figura 40 - Toyota Prius [81] ... 52

Figura 41 - Configuração Complexa [53] ... 53

Figura 42 - Configuração Plug In (Adaptado de [53]) ... 54

Figura 43 - Célula de Combustível a hidrogénio [84] ... 55

Figura 44 - Tomada e ficha industrial de 16 A com terra (Norma IEC 60309-2) [90] ... 60

Figura 45 - Tomada doméstica e ficha "Schuko" de 16 A com terra [90] ... 60

Figura 46 - Carregamento em modo 1 [91] ... 60

Figura 47 - Cabo com dispositivo de comunicação/controlo [90] ... 61

Figura 48 - Carregamento em modo 2 [91] ... 61

Figura 49 - Ficha/tomada Yazaki [90] ... 62

Figura 50 - Ficha/tomada Mennekes [90] ... 62

Figura 51 - Ficha/tomada Scame [92], [93] ... 63

Figura 52 - Carregamento em modo 3 [91] ... 63

Figura 53 – Interior de um EV que permite o carregamento em AC [90] ... 64

Figura 54 - Ficha e tomada CHAdeMO de carregamento em DC [94], [90] ... 65

Figura 55 - Ligações da ficha CHAdeMO [95] ... 65

Figura 56 - Ficha e tomada Combo de carregamento em DC [96] ... 65

Figura 57 - Carregamento em modo 4 [Adaptado de [91]] ... 66

Figura 58 - Interior de um EV que permite o carregamento em DC [90] ... 66

Figura 59 - Postos de carregamento normal da Efacec (esquerda) e Magnum Cap (direita) [97]... 67

xiii

Figura 61 - Postos de carregamento rápido Efacec (esquerda) [99] e Magnum Cap

(direita) [100] ... 67

Figura 62 - Exemplo de quadriciclo [101], [102] ... 68

Figura 63 - Exemplo de cabo de ligação a utilizar em modo 2 [103] ... 69

Figura 64 - Exemplo de cabo de ligação a utilizar em modo 3 [103] ... 69

Figura 65 - Recente tecnologia de posto de carregamento rápido [Adaptado de [104]] 70 Figura 66 - Postos de carregamento em garagens: Home Charger (esquerda) [105] e Wall Box (direita) [106] ... 71

Figura 67 - Indicação de tensão elevada [113] ... 77

Figura 68 - Marcação de Homologação de um veículo [113] ... 78

Figura 69 - Marcação de Homologação de um conjunto de baterias [113] ... 79

Figura 70 - Veiculo que foi sujeito ao processo de conversão ... 81

Figura 71 - Parte do escape do veículo ... 83

Figura 72 - Reservatórios de gás, gasolina e restante tubagem de escape ... 83

Figura 73 - Veiculo com o motor de combustão ... 83

Figura 74 - Veiculo sem motor ... 84

Figura 75 - Veiculo após limpeza (vista lado esquerdo) ... 84

Figura 76 - Veiculo após limpeza ... 84

Figura 77 - Veiculo sem os depósitos nem a tubagem de escape ... 85

Figura 78 – Bateria de LiFePO4 e suas dimensões [118] ... 87

Figura 79 – Caixa das baterias (Frente do veiculo) ... 87

Figura 80 – Caixa das baterias (Traseira do veiculo) ... 87

Figura 81 – Sistema de gestão da bateria ... 88

Figura 82 - Carregador Manzanita PFC20 ... 89

Figura 85 – Monitor de bateria Victron Energy ... 90

Figura 83 - Tomada de ligação para carregamento normal (Mennekes) ... 90

Figura 84 - Tomada de ligação para o carregamento rápido (CHAdeMO) ... 90

Figura 86 – Conversor DC/DC ... 91

Figura 87- Curva binário vs velocidade de rotação (cortesia do fabricante Siemens).... 92

Figura 88- Curva potência vs velocidade de rotação (cortesia do fabricante Siemens) . 92 Figura 89 – Pormenor da ligação da placa que permite a ligação entre o motor e a caixa de velocidades... 93

Figura 90 – Fixação do motor no chassis do veículo ... 93

xiv

Figura 92 - Botão de Emergência instalado no tablier ... 95 Figura 93 – Interruptor de Inércia [123] ... 95 Figura 94 - Pontos de manutenção de um EV e convencional [124] ... 97 Figura 95 – Variação dos preços do GPL e Gasolina 95 (Euro/litro) de 2000 a 2014 ... 99 Figura 96 – Variação dos preços da electricidade (Euro/kWh) de 2000 a 2014 ... 100 Figura 97 – Preços extrapolados do GPL e Gasolina 95 (Euro/litro) de 2016 a 2030 .. 101 Figura 98 - Preços extrapolados para a electricidade (Euro/kWh) de 2016 a 2030 ... 102

xv

Índice de Tabelas

Tabela 1 – Valores de em algumas situações [20] ... 12

Tabela 2 - Vantagens e Desvantagens das baterias Chumbo-Ácido [24], [3], [26]... 19

Tabela 3 - Vantagens e desvantagens das baterias NiCd [24], [26] ... 20

Tabela 4 - Vantagens e desvantagens das baterias de NiMH [24], [26] ... 21

Tabela 5 - Vantagens e desvantagens das baterias NaS [24], [26] ... 22

Tabela 6 - Vantagens e desvantagens das baterias ZEBRA [24], [6], [36] ... 24

Tabela 7 - Vantagens e desvantagens das baterias Li-Ion [26], [38] ... 25

Tabela 8 - Vantagens e desvantagens das baterias de Polímero de Lítio [38] ... 27

Tabela 9 - Vantagens e desvantagens das baterias LiFePO4 [40], [41], [44], [45] ... 28

Tabela 10 - Vantagens e desvantagens das baterias de Alumínio – Ar [3] ... 29

Tabela 11 - Vantagens e desvantagens das baterias de Ar – Zinco [6] ... 30

Tabela 12 - Comparação de diferentes tipos de baterias [53] [6] [26]... 33

Tabela 13 - Vantagens e desvantagens do volante de inércia (Adaptado de [54], [55], [24]) ... 35

Tabela 14 - Vantagens e desvantagens dos Super Condensadores (Adaptado de [55], [24], [61]) ... 37

Tabela 15 - Vantagens e Desvantagens dos motores [71], [73], [74], [75] ... 46

Tabela 16 - Vantagens e Desvantagens das células de combustível [57], [1] ... 55

Tabela 17 – Características dos diferentes tipos de EVs [1] ... 58

Tabela 18 - Tempos de carregamento do EV em função do tipo de corrente e potência [Adaptado de [91]] ... 68

Tabela 19 - Equipamentos removidos do veículo... 85

Tabela 20 – Resumo das características das baterias usadas na conversão [118] ... 86

Tabela 21 – Custos dos EVs e Convencionais ... 97

Tabela 22 – Parâmetros considerados para o veículo antes e após a conversão ... 98

Tabela 23 – Parâmetros considerados consoante o veículo (inclui valores dos parâmetros fixos) ... 103

Tabela 24 – Evolução da amortização do investimento em função do custo dos combustíveis/electricidade e poupança alcançada com a conversão. ... 109

Tabela 25 - Alguns poluentes presentes na atmosfera e os seus efeitos na saúde das populações [127] ... 131

xvii

Lista de Abreviaturas

ABS – Anti-lock Braking System AC – Alternate Current

DC – Direct Current

CCS – Combined Charging System CSV – Comma Separated Value

DGEG – Direcção Geral de Energia e Geologia EV – Electric Vehicle

ERSE – Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle

HEV – Hybrid Electric Vehicle

IEC - International Electrotechnical Commission

IMTT - Instituto da Mobilidade e dos Transportes Terrestres PHEV – Plug In Hybrid Electric Vehicle

RPM – Rotações por minuto SOC – State Of Charge

UNECE – United Nations Economic Commission for Europe VRLA – Valve Regulated Lead - Acid

xix

Lista de Símbolos

Afv – Área da secção dianteira, m 2

Cd – Coeficiente de atrito aerodinâmico

Fh – Componente tangencial do Peso, N

Ft – Força de tracção, N

Far – Resistência aerodinâmica, N

Fr – Força de resistência ao rolamento, N

g – Aceleração da gravidade, m/s2 M – massa, kg

Pz – Força distribuída, N

P – Força aplicada no centro da roda, N

Trf – Binário resistente nas rodas dianteiras, Nm

Trr – Binário resistente nas rodas traseiras, Nm

V – Velocidade do veículo, m/s Var – Velocidade do vento, m/s

Z – Deformação máxima

α – Ângulo de inclinação, graus ρ – Densidade do ar, Kg/m3

1

1. Introdução

1.1 - Conversão de um Veiculo de Combustão para Eléctrico –

O Porquê

Com a variação inconstante dos preços dos combustíveis, associado à noção por parte da população em geral de que as reservas de petróleo não vão durar para sempre [1], foi possível dar destaque aos veículos eléctricos (EVs) como uma alternativa aos meios de transporte da actualidade [2] [3]. Para além disso, este tipo de veículos é extremamente silencioso reduzindo desta forma a quantidade de poluição sonora existente de forma mais notória nas grandes cidades. Outro aspecto importante reside no facto da sua utilização não lançar na atmosfera gases responsáveis pelo efeito de estufa e causadores de patologias diversas em todos os seres vivos, promovendo assim um ambiente mais limpo. O anexo A menciona quais os poluentes mais comuns na atmosfera devido aos veículos convencionais e alguns tipos de indústria, bem como as patologias que esses mesmos poluentes podem causar na saúde das populações.

No entanto, uma vez que em Portugal cerca de 50% da energia eléctrica é produzida em centrais térmicas convencionais, logo o carregamento dos EVs deverá ser realizado a partir de fontes de energia renovável.

Em Portugal dado que não existe reservas de gás natural nem de petróleo, obriga que o país tenha que depender em termos energéticos do exterior com vista á obtenção destes produtos. Os mesmos têm um peso bastante significativo no que toca ao consumo de energia. No entanto, com vista á redução dessa dependência (entre os 80 e 90%), Portugal tem-se voltado para fontes de energia renovável, o que permitiu reduzir a dependência energética para valores inferiores a 80%, a partir de meados do ano de 2009 até 2013 [4].

A figura 1 mostra a evolução da dependência energética de Portugal desde 2000 até 2013.

2

Figura 1 – Evolução da dependência energética de Portugal [4]

Relativamente ao gás natural verifica-se que o sector industrial detém o maior consumo, enquanto nos sectores dos transportes, agricultura e pescas o consumo é pouco expressivo, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 - Evolução do consumo de gás natural por sector em Portugal (tep1) [4]

1

3

Por observação da figura 3 constata-se que o consumo final de petróleo no sector dos transportes é bastante acentuado, fazendo deste sector o principal consumidor. De notar no entanto que nos últimos anos houve uma quebra acentuada no consumo, nomeadamente nos sectores dos serviços e indústria.

Figura 3 - Evolução do consumo final de petróleo por sector em Portugal (tep2) [4]

Apesar de actualmente os veículos convencionais possuírem consumos mais comedidos e contribuírem para a emissão de níveis de poluentes cada vez mais baixos, a verdade é que não deixam nem de consumir combustível nem de poluir. Deste modo, a procura de meios de transporte amigos do ambiente irá permitir a melhoria da qualidade do ar que se respira, das condições de vida, bem como a redução do consumo inerente ao sector dos transportes. No entanto, tendo em conta os benefícios que foram criados com vista a uma maior integração dos EVs em território nacional (referidos na secção 2.1), o mercado actual deste tipo de veículos não possui ainda uma dimensão muito notória, conforme mostra a figura 4. Ainda assim, de acordo com a referida figura constata-se que no segmento dos veículos ligeiros de passageiros as vendas têm apresentado um comportamento mais favorável, face ao segmento dos veículos comerciais ligeiros. Tal

2

4

facto poderá ser justificado em parte pela reduzida oferta disponível para este ultimo segmento.

Figura 4- Evolução das vendas de EVs em Portugal (Elaborado a partir de informação cedida pela ACAP)

Sendo os EVs novos ou convertidos um dos meios de transporte amigos do ambiente, a escolha deste tipo de veículos irá permitir a redução do consumo do petróleo no sector dos transportes. Para além disso, a conversão de veículos convencionais em eléctricos permite a sua reciclagem, dando uma nova vida aos mesmos uma vez que permite a sua utilização por mais tempo.

1.2 - Objectivos

Através da realização deste trabalho pretende-se caracterizar todas as fases inerentes ao processo de conversão de um veículo convencional em eléctrico, para além de demonstrar como é que cada um dos componentes é integrado e disposto no interior do veículo. É igualmente objectivo deste trabalho, fazer um estudo de viabilidade económica para um caso real.

Pretende-se ainda alertar consciências para a possibilidade de causar um menor impacto no meio ambiente, com a utilização dos meios de transporte mais limpos e económicos.

18 203 65 166 189 645 0 5 16 27 27 66 0 100 200 300 400 500 600 700 2010 2011 2012 2013 2014 2015 N º d e E V s ve n d id os em P or tu ga l Ano Ligeiros de Passageiros Comerciais Ligeiros

5

1.3 - Motivação

Sem dúvida, a invenção do automóvel foi um dos acontecimentos do século XIX. Graças a ele, tem sido possível o desenvolvimento das sociedades ao longo dos tempos, ao permitir que pessoas e bens se desloquem cada vez com maior celeridade e segurança.

No entanto, o crescimento da população mundial e o consequente crescimento do número de veículos, aliado à dependência cada vez maior por parte da sociedade de meios de transporte, está cada vez a tornar mais poluído o meio ambiente.

Além disso, dado que uma grande parte dos poços de petróleo se encontra no médio oriente [5], e devido aos conflitos constantes a que esses países produtores de petróleo se têm encontrado sujeitos, a influência na economia de outros países que dependem do petróleo tem-se feito sentir, através da oscilação frequente do seu preço. A conversão de veículos convencionais em eléctricos irá certamente (caso se invista significativamente nesta tecnologia), baixar essa mesma dependência.

Apesar de haver em algumas marcas de automóveis sinais de mudança, noutras existe alguma resistência em investir numa tecnologia que não dominam, em prol da tecnologia dos motores de combustão que está bastante mais desenvolvida e sobre a qual têm mais conhecimento.

1.4 - Estrutura do Trabalho de Projecto

O presente trabalho é constituído por sete capítulos e três anexos. No capítulo actual é feita a introdução ao tema do trabalho propriamente dito, mencionando quais os objectos que se pretendem alcançar e a motivação.

No capítulo 2 começa-se por abordar as forças que actuam no veículo recorrendo a uma descrição genérica do movimento do mesmo, sem esquecer aquelas às quais está sujeito enquanto se movimenta. Posteriormente, descreve-se de forma sucinta os componentes principais que existem nos EVs a bateria, passando pelos veículos híbridos (HEVs) e a célula de combustível (FCEVs), terminando com uma análise comparativa entre todos eles.

6

O capítulo 3 aborda a temática dos postos de carregamento para veículos eléctricos. No mesmo começou-se por caracterizar de forma sucinta o projecto de mobilidade eléctrica em Portugal (rede Mobi.E), prosseguindo-se com a descrição de cada um dos modos de carregamento existentes, tipos de postos de carregamento disponíveis na via pública, formas de ligação entre os veículos e os postos, finalizando com os postos de carregamento em garagens.

O capítulo 4 é dedicado à legislação que é necessário cumprir, de modo que o veículo objecto de conversão seja á posteriori devidamente homologado, sendo mencionados alguns requisitos a ter em conta.

Para além disso, é referida a legislação aplicável nos centros de inspecções, bem como as isenções de que somente os veículos eléctricos dispõem.

No capítulo 5, através da utilização de um caso de estudo, descreve-se o processo de conversão de um veículo convencional em eléctrico. Inicialmente procede-se à descrição de todas a etapas do processo propriamente dito, terminando com o estudo de viabilidade económica.

Nos capítulos 6 e 7 expõem-se respectivamente, as conclusões deste trabalho e as propostas para trabalhos futuros na área de conversão de veículos.

7

2. Estado de Arte

2.1 - Introdução

Decorria a década de 1830 quando surgiram no mercado os primeiros EVs. Na época estes veículos não usavam baterias recarregáveis pois a tecnologia das mesmas estava a dar os primeiros passos. Somente no final do século 19, graças ao desenvolvimento tecnológico das baterias recarregáveis e à sua produção em larga escala, foi possível a utilização deste tipo de veículos de forma mais abrangente. No ano de 1912 existia já uma quantidade muito grande de EVs (na ordem das centenas de milhar), usados sobretudo como táxis, autocarros, veículos de entregas e eléctricos [3].

Para além dos EVs e dos veículos de combustão interna existiam também os veículos a vapor. Uma grande vantagem dos EVs face aos restantes residia no facto de não ser necessário, uma manivela, nem de lume para a sua colocação em funcionamento.

No entanto, o desenvolvimento do sistema de arranque eléctrico para os motores de combustão interna no ano de 1911, aliado ao baixo preço do petróleo da época, fez com que este tipo de motores fosse escolhido em detrimento dos motores eléctricos [6]. Existiram também outras questões importantes para o declínio dos EVs em termos de popularidade, questões que permanecem mesmo nos dias de hoje. São elas a energia que as baterias conseguem fornecer, o peso das mesmas, o tempo necessário para recarregar, a sua durabilidade e custo. Segundo [6], a energia específica dos combustíveis usados nos motores de combustão interna situa-se na ordem de grandeza dos 9000 Wh/kg, enquanto a energia específica de uma bateria chumbo-ácido ronda os 30 Wh/kg. Tendo em conta a eficiência de ambos os motores, constata-se que para o conjunto motor de combustão interna - caixa de velocidades, à saída da mesma existe um valor de 1800 Wh/kg de energia disponível, enquanto no caso de um EV este valor é de apenas 27 Wh/kg. Em termos de peso, segundo o mesmo autor, o peso do combustível necessário para que um veículo comum percorra 50 Km situa-se nos 4Kg, enquanto um EV necessita de um conjunto de baterias com um peso de 270Kg. Deste modo é perceptível que os EVs tenham uma autonomia e uma velocidade máxima inferior quando comparados com os veículos de combustão interna [3]. No que diz respeito ao tempo de carga das baterias este pode durar várias horas, face ao tempo necessário para atestar o depósito de combustível. Relativamente à duração das baterias, a sua vida útil depende

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da tecnologia utilizada, o que implica no entanto um custo suplementar quando for necessária a sua substituição.

Ainda assim, os EVs têm sido usados para desempenhar outro tipo de funções nas quais a ausência de ruído e a conservação do ambiente que os rodeia se destacam em relação à sua autonomia. Como exemplos destacam-se: os empilhadores, usados nos mais diversos tipos de armazéns na movimentação de materiais ou de produtos acabados; os carros de golf, destinados a transportar os jogadores; as cadeiras de rodas que permitem uma melhoria da qualidade de vida a quem delas necessita [3].

Todavia após a crise de 1973, na qual se tomou consciência da importância de reduzir o consumo de combustível, deu-se um avanço notável no que toca à tecnologia de armazenamento de energia. Este desenvolvimento permitiu que países com know-how na área se dedicassem ao lançamento de EVs, ainda que em pequenas quantidades, destinados a serem usados em estrada, bem como de protótipos exclusivamente concebidos para a participação em provas de competição [3].

Actualmente tem-se vindo a assistir por parte de alguns fabricantes de automóveis que abastecem o mercado português, ao desenvolvimento de modelos exclusivamente eléctricos como parte de uma estratégia económica e ambiental. A título de exemplo apresentam-se os seguintes modelos:

 Leaf da Nissan [7]  i-Miev da Mitsubishi [8]  Ion da Peugeout [9]  C-Zero da Citroen [10]

 Zoe, Fluence, Twizy Z.E e Kangoo Z.E da Renault [11]  i3 da BMW [12]

 e-Up, e-Golf da Volkswagen [13]

 Classe B Electric Drive da Mercedes-Benz [14]  Fortwo Electric Drive da Smart [15]

 Model S da Tesla [16]

Com o lançamento no mercado Português dos primeiros EVs no ano de 2010, de modo a promover a sua comercialização foi elaborado nesse mesmo ano o Decreto-Lei n.º

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39/2010, de 26 de Abril [17], com o qual se pretendia entre outras matérias criar condições para a compra e utilização de EVs, através de subsídios específicos e criados para o efeito. De modo a estabelecer as condições para a atribuição desses mesmos subsídios, elaborou-se a Portaria n.º 468/2010 de 7 de Julho [18].

2.2 - Princípios Físicos que Afectam a Eficiência do Veiculo

Na concepção de um veículo são tidas em consideração diferentes leis e princípios da física, nomeadamente a segunda lei de Newton que nos diz: “ a aceleração de um objecto numa dada direcção é proporcional à resultante das forças exercidas no mesmo nessa direcção”. No caso de um veículo, a presença das várias forças origina uma força resultante que define a direcção e sentido do movimento de acordo com a referida lei [19].

A título de exemplo, a figura 5 mostra as forças aplicadas a um veículo num plano com a inclinação α. A força Ft representa a força de tracção desenvolvida pelo veículo e é exercida sobre a superfície onde ocorre o contacto entre as rodas motrizes e o piso. De acordo com a mesma figura, constata-se que durante o percurso de subida existem forças cujo sentido é oposto ao do movimento do veículo. Essas forças são conhecidas por oferecerem resistência ao deslocamento do mesmo e traduzem-se nos seguintes efeitos: resistência ao rolamento dos pneus designada por Rrf e Rrr, que estão relacionadas com os binários resistentes Trf e Trr ; resistência aerodinâmica Fw e a componente tangencial do peso do veículo Pt dada pela expressão (2.1):

(2.1)

onde : é a massa em kg;

é a aceleração da gravidade em m/s2 ; é o ângulo de inclinação em graus.

De notar que o valor de Pt aumenta com o aumento de α.

O sistema de propulsão é responsável pela colocação do veículo em movimento, logo para o conseguir tem que superar o sistema de forças generalizadas que se opõem ao movimento anteriormente referidas.

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Figura 5 – Forças generalizadas aplicadas a um veículo num plano inclinado. Adaptado de [20]

Todas as forças que se opõem ao movimento, serão descritas em seguida com mais pormenor.

2.2.1 – Resistência ao rolamento

Caracteriza-se pela interacção dos pneus do veículo com a superfície. Essa interacção origina na superfície de contacto uma deformação máxima e uma força distribuída em resposta à força aplicada no centro da roda. A figura 6 mostra as forças que estão presentes numa roda, quando esta se encontra em repouso.

Figura 6 – Reacção da superfície sobre o pneu em repouso. Retirado de [20]

Uma vez que a interacção entre as rodas em movimento e as diversas superfícies existentes não é igual, torna-se importante referir duas situações extremas de modo a ser

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possível estabelecer uma comparação. As duas situações extremas são: rodas a rolarem sobre uma superfície dura ou sobre uma superfície macia.

Observando as figuras 7 e 8, constata-se que a força distribuída sofre um deslocamento no sentido do movimento da roda, sendo a referida força também afectada pelo tipo de superfície onde o veículo se desloca [20].

Numa superfície dura, o deslocamento da força deve-se à existência de uma maior deformação do pneu no lado direito (sentido do movimento) em relação ao eixo de simetria, quando comparado com o lado esquerdo. Nessa zona de maior deformação ocorre igualmente uma maior pressão. Quando se trata de uma superfície macia, o deslocamento e intensidade da reacção varia em função do grau de deformação da mesma. Isto é, quanto mais a superfície se deforma à passagem do pneu, maior será a força que resiste ao movimento.

Em ambas as situações, o deslocamento da força origina em relação ao eixo de simetria um momento oposto ao movimento do pneu. De modo a contrariar o efeito desse momento é necessário aplicar uma força no centro do pneu. Como tal, o momento causado pelo deslocamento da linha de acção de pode ser substituído através da aplicação de uma força equivalente designada de força de resistência ao rolamento (Fr) no centro do pneu, de sentido contrário ao movimento do veiculo, cujo valor é determinado pela expressão (2.2):

(2.2)

onde representa o coeficiente de resistência ao rolamento e pode ser calculado através da expressão (2.3) :

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(2.3)

onde é a distância medida na horizontal entre as forças que originam o momento e é o raio efectivo do pneu. O termo refere-se à força aplicada no centro da roda. Para um plano inclinado, na expressão da força tem que se entrar com a componente tangencial da força . Deste modo a expressão anterior adquire a seguinte forma:

(2.4) onde é o ângulo de inclinação em graus.

Em qualquer uma das expressões anteriores verifica-se que influencia o valor da resistência ao rolamento . Quanto maior o valor desta última, maior será o consumo do veículo, devido à necessidade do motor ter que desenvolver uma maior força a fim de iniciar e de manter o veiculo em movimento.

Recentemente, a preocupação por parte dos fabricantes na concepção de veículos com menores consumos deu também origem à produção de pneus com menores coeficientes de resistência ao rolamento. Este coeficiente depende de diversos factores desde a concepção do pneu (estrutura, material usado e tipo de rasto), passando pelas condições de utilização (temperatura e pressão dentro do pneu), sem esquecer as características e condições do piso sobre o qual o veículo circula (tipo de solo, rugosidade, seco ou molhado).

A tabela 1 apresenta alguns valores de coeficiente de resistência ao rolamento para as respectivas situações, numa situação de velocidade constante.

Tabela 1 – Valores de em algumas situações [20]

Situações Coeficiente de resistência ao rolamento Pneu de veículo a rolar sobre cimento 0,013

Pneu de veículo a rolar sobre gravilha 0,02 Pneu de veículo em estrada de alcatrão 0,025

Pneu de veículo em estrada de terra 0,05 Pneu de camião sobre o asfalto 0,006 - 0,01 Roda de comboio sobre o carril 0,001 - 0,002

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2.2.2 – Atrito aerodinâmico

Trata-se de uma força que está associada à forma da estrutura do veículo e do modo como esta interage com o ar envolvente, durante o movimento. De acordo com [20], o atrito aerodinâmico é calculado através a expressão (2.5) :

(2.5)

onde ρ corresponde á densidade do ar ;

é a área da secção dianteira do veículo; é o coeficiente de atrito aerodinâmico; é a velocidade do veículo;

é a velocidade do vento em relação ao veículo.

Conforme se pode verificar na expressão acima, existem duas formas de reduzir a força de atrito aerodinâmico. Uma delas é através da redução do valor de e a outra é reduzindo o valor de . Tal pode ser conseguido em simultâneo, se na fase de concepção fôr dada ao veículo uma forma o mais aerodinâmica possível, não descurando a comportamento em estrada, a segurança e a aparência do mesmo.

Os EVs ao permitirem a colocação dos principais componentes de uma forma mais favorável (em zonas onde a temperatura é mais baixa), permitem reduzir em parte a necessidade de um arrefecimento tão acentuado através de entradas de ar existentes no veículo [6]. No entanto estas mesmas aberturas devem possuir a forma adequada de modo a não causarem a aumento do atrito aerodinâmico.

2.2.3 – Componente tangencial do peso

É uma força que está sempre presente quando o veículo se encontra num plano inclinado. Apesar de no primeiro caso esta componente se opor ao movimento do veículo (figura 5), no segundo caso é precisamente o contrário, uma vez que favorece o movimento de descida. Tal se deve ao facto de se tratar de uma força tangencial ao movimento, cujo sentido permanece inalterado. Esta força é calculada recorrendo à expressão (2.6) [6]:

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onde é a massa em kg ; é a aceleração da gravidade em m/s2.

2.3 -Veículos Eléctricos

Face aos veículos de combustão interna, os EVs permitem uma disposição mais flexível dos componentes ao longo da sua estrutura e desta forma um design mais flexível. Esta flexibilidade é devida ao uso de condutores e cabos eléctricos flexíveis que transportam a energia eléctrica para todo o veículo; possibilidade de escolha entre diferentes tipos de motores tais como os motores DC, AC e inseridos nas rodas (In-Wheel); escolha quanto ao tipo de armazenamento de energia, de entre baterias, células de combustível, super condensadores e volante de inércia.

Nos veículos convencionais a estrutura é menos flexível, uma vez que são usados componentes mecânicos que embora sejam caracterizados por uma maior robustez possuem uma menor flexibilidade [21].

Para melhor se compreender a estrutura de um EV, a figura 9 mostra esquematicamente os principais sistemas que estão incluídos num EV, bem como os componentes existentes nos mesmos. Em termos de sistemas principais existe o sistema responsável pela movimentação do veículo, o sistema que garante o fornecimento/armazenamento de energia e por fim o sistema encarregue de fornecer energia aos restantes equipamentos auxiliares. Uma vez que é devido ao primeiro sistema que o veiculo se move, logo um dos componentes necessários para tal passa pelo motor eléctrico, sem esquecer o controlador do veículo e o conversor de potência essenciais ao seu controlo. Para além disso, de modo a transmitir a potência às rodas recorre-se a uma transmissão mecânica. O segundo sistema inclui o conjunto de baterias (fonte de energia), o sistema de gestão de energia e o carregador das baterias. Por fim o terceiro sistema inclui o sistema de aquecimento/arrefecimento, a direcção assistida, bomba de vácuo, etc.

15 Figura 9 - Configuração Básica de um EV. Adaptado de [20]

A partir da informação que o condutor transmite ao veículo (através dos pedais do acelerador e travão), o sistema de controlo do mesmo através de comunicação bilateral transmite informações ao conversor de potência e ao sistema de gestão de energia. Com base nas informações provenientes do controlador do veículo, o conversor de potência tem a função de controlar o binário desenvolvido pelo motor eléctrico, controlando a corrente que circula no estator do motor. O binário é função directa da posição do pedal do acelerador. O sistema de gestão de energia é responsável pelo armazenamento da energia obtida tanto através da travagem regenerativa, como através da rede eléctrica. O sistema auxiliar tem como função fornecer energia ao sistema de climatização, direcção assistida e restantes equipamentos auxiliares [22].

Apesar da referência a estes sistemas, no âmbito deste trabalho apenas serão abordados por esta ordem, a fonte de energia (mais concretamente baterias, volante de inércia e super condensadores), o sistema de propulsão e o motor eléctrico.

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2.3.1 - Baterias

Regra geral uma bateria é composta por um conjunto de células nas quais se destacam os seguintes componentes: um eléctrodo positivo, outro negativo e um electrólito [23], [3], [24]. O eléctrodo positivo (cátodo) é aquele que recebe os electrões, enquanto o eléctrodo negativo (ânodo) é aquele que os fornece. Ambos os eléctrodos são colocados em contacto com o electrólito, cuja função é promover o transporte de iões entre os mesmos [23].De modo a evitar o contacto entre cada um dos eléctrodos, finas camadas de material isolante são colocadas entre os mesmos, mais conhecidas por separadores. Trata-se de um dispositivo muito importante de um EV, sem o qual o desenvolvimento do mesmo seria impossível. Tem como funções armazenar energia e posteriormente fornecê-la quando for necessário. Basicamente funciona como o depósito de combustível de um EV[3].

Enquanto nos veículos convencionais, as baterias vão sendo carregadas durante o funcionamento do motor de combustão graças ao alternador, nos EVs isso não acontece. Assim sendo, torna-se necessário o seu carregamento através de uma fonte de energia exterior.

Uma das características importantes a ter em conta numa bateria é o seu ciclo de vida. O ciclo de vida corresponde ao número de vezes que a bateria pode ser carregada e descarregada durante a sua vida útil. A partir do momento em que a bateria não suporte um carregamento superior a 80% da sua capacidade considera-se que o ciclo de vida da mesma terminou [25]. Quanto maior o ciclo de vida, maior será a sua duração.

Para além desta, há ainda outras características importantes que as baterias dos EVs devem observar, tais como [3], [23], [25] :

 Energia Especifica - expressa a quantidade de energia que a bateria pode armazenar por unidade de massa, para um dado valor de taxa de descarga. Uma elevada energia específica permite uma maior autonomia;

 Densidade de Energia – expressa a quantidade de energia que a bateria pode armazenar por volume e para um dado valor de taxa de descarga. Uma elevada densidade de energia permite baterias mais compactas;

 Potência Especifica ou Densidade de Potência – corresponde à quantidade máxima de potência por unidade de massa que a bateria fornece para um determinada profundidade de descarga. O seu valor é máximo com a bateria

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completamente carregada e á medida que a mesma vai sendo descarregada, tanto o valor da potência específica como a aceleração do veículo vão sendo menores. Quanto maior fôr este valor, maior a capacidade de fornecer energia nas acelerações e subidas;

 Elevada eficiência energética (utilização mais económica da energia após recarga);

 Baixa auto descarga (baixo consumo interno de energia quando não está ser utilizada);

 Rapidez de carga (para um carregamento rápido);  Baixo custo;

 Pouca ou nenhuma manutenção;  Imune às condições ambientais;  Robustez;

 Não prejudicial para o ambiente (não utilização de materiais tóxicos);  Produzida a partir de materiais abundantes;

 Resistente mesmo em caso de acidente.

Em termos tecnológicos existem diversos tipos de baterias no mercado. Assim, de seguida serão abordados alguns tipos de baterias, tais como: Chumbo-Ácido (Pb), Níquel-Cádmio (NiCd), Hidreto metálico de Níquel (NiMH), Sulfureto de Sódio (NaS), Cloreto de Sódio Metálico (ZEBRA), Iões de Lítio (Li-Ion), Polímero de Lítio, Lítio Fosfato de Ferro (LiFePO4), Ar-Alumínio e Ar-Zinco.

2.3.1.1- Baterias de Chumbo-Ácido (Pb)

Foram inventadas em 1859 pelo físico francês Gaston Planté [26] e aperfeiçoadas com o passar do tempo para poderem ser usadas em várias aplicações, de tal forma que hoje em dia são das baterias recarregáveis que mais se encontram em uso nos veículos convencionais.

Na sua composição entram elementos como o dióxido de chumbo (PbO2) o qual faz parte do eléctrodo positivo (cátodo), chumbo metálico em forma porosa (Pb) que constitui o eléctrodo negativo (ânodo) e uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4) denominada de electrólito [3], [24]. As figuras 10 e 11 mostram em detalhe a constituição de uma bateria deste tipo.

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Figura 10 – Interior de uma bateria Chumbo-Ácido (Pb) [27]

Figura 11 - Componentes de uma bateria Chumbo-Ácido (Pb) [28]

Devido às reacções químicas existentes entre os componentes das baterias Chumbo-Ácido, no funcionamento das mesmas ocorre a formação de água [24], [3]. No entanto, de acordo com [24], acima de um determinado valor de tensão, a água existente transforma-se em hidrogénio e oxigénio, o que implica a reposição do seu nível. Somente na década de 70, fruto de pesquisa por parte de investigadores surgiu a bateria Chumbo-Ácido designada por VRLA (valve regulated lead-acid), que não requeria qualquer manutenção, uma vez que a mesma era selada e continha válvulas que permitiam a saída dos gases originários do funcionamento da mesma [26]. Com as baterias VRLA solucionou-se o problema da reposição do nível de água, pois o hidrogénio e o oxigénio são transformados novamente em água [24].

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No que concerne a vantagens e desvantagens das baterias Chumbo-Ácido, as mesmas são apresentadas na tabela 2.

Tabela 2 - Vantagens e Desvantagens das baterias Chumbo-Ácido [24], [3], [26]

Vantagens Desvantagens

Baixo custo e facilidade de produção Baixa densidade energética

Fiabilidade Peso elevado

Baixa auto-descarga Período de carga longo Pouca manutenção Baixo ciclo de vida

Robustez Inimiga do Ambiente

Elevada Eficiência Energética Necessárias restrições no seu transporte Permite a utilização numa gama alargada

de temperaturas

2.3.1.2 - Baterias de Níquel - Cádmio (NiCd)

Surgiram no ano de 1899, desenvolvidas por Waldmar Junger. Por se tratar de uma bateria que necessitava de materiais caros, na época o seu uso não foi generalizado. Ao longo dos anos este tipo de baterias foi sendo aperfeiçoada, mas só em 1947 foram efectuadas pesquisas com vista ao desenvolvimento de baterias NiCd seladas, com vista ao reaproveitamento dos gases durante o ciclo de carga. Ainda hoje as baterias NiCd utilizam este conceito [26].

São constituídas por um ânodo de cádmio (Cd), um cátodo de hidróxido de níquel (Ni(OH)2) e por um electrólito de hidróxido de potássio (KOH) [24].

Na figura 12 pode-se observar a instalação de um conjunto de baterias NiCd como parte integrante de um EV.

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A tabela 3 sumariza as vantagens e desvantagens das baterias NiCd :

Tabela 3 - Vantagens e desvantagens das baterias NiCd [24], [26]

Vantagens Desvantagens

Rapidez de carga Custo superior às de chumbo Transporte sem grandes restrições Efeito memória

Grande ciclo de vida face às de chumbo Elevada auto descarga Boa performance mesmo a baixas

temperaturas

Densidade energética baixa face a outras baterias mais novas

Económica em termos de custo por ciclo Prejudiciais ao ambiente Possui vários formatos e tamanhos

2.3.1.3 - Baterias de Hidreto metálico de Níquel (NiMH)

O seu desenvolvimento começou na década de 1970 na tentativa de armazenar o hidrogénio numa bateria de níquel hidrogénio.

Inicialmente não se conseguia que as ligas do hidreto metálico permanecessem estáveis dentro da bateria, fazendo com que a performance obtida ficasse aquém do desejado. A partir da década de 1980 com a descoberta de novas ligas, estáveis o suficiente para serem introduzidas dentro das baterias, têm sido levados a cabo melhoramentos principalmente ao nível da densidade energética [26].

Na sua composição usam-se ligas metálicas capazes de armazenar átomos de hidrogénio no ânodo, hidróxido de níquel no cátodo e no electrólito uma solução de hidróxido de potássio [30].

Devido ao facto de possuírem elevada densidade energética e de potência, para além de somente em determinadas circunstâncias ocorrer o efeito de memória, tem contribuído para a aplicação deste tipo de baterias em EVs. O seu uso tem sido alargado aos HEVs conforme se pode observar nas figuras 13 e 14, onde consta um conjunto de baterias do Toyota Prius.

21 Figura 13 - Conjunto de baterias NiMH Toyota (vista de cima) [31]

Figura 14 – Conjunto de baterias NiMH Toyota (vista lateral) [32]

Relativamente às vantagens e desvantagens, a tabela 4, apresenta as características associadas a este tipo baterias:

Tabela 4 - Vantagens e desvantagens das baterias de NiMH [24], [26]

Vantagens Desvantagens

Menor risco de ocorrência do efeito de memória

Ciclo de vida limitado. Deve-se evitar descarregar a bateria por completo de forma a preservar a mesma.

As toxinas existentes podem ser recicladas Necessário maior tempo de carregamento – o mesmo deve ser feito de forma controlada

Transporte sem restrições Elevada auto-descarga Possuem uma densidade energética cerca

de 40% superior às baterias NiCd

Sensíveis a elevadas temperaturas – pois origina a quebra de performance.

Requer uma elevada manutenção Preço superior às de NiCd

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2.3.1.4 - Baterias de Sódio - Enxofre (NaS)

A sua origem remonta ao ano de 1966, quando cientistas da empresa americana Ford as desenvolveram [33], [3]. Anos mais tarde, a união de esforços entre as empresas japonesas NGK INSULATORS, LTD. (NGK) e Tokyo Electric Power Co. (TEPCO) conduziu ao desenvolvimento deste tipo de baterias, de tal modo que em 2003 a NGK iniciou o seu processo de produção para fins comerciais [34].

Na sua composição são usados sódio, enxofre e um composto cerâmico (beta-alumina) no estado sólido, que compõem o ânodo, cátodo e o electrólito, respectivamente. A figura 15 mostra como são dispostos cada um dos componentes.

As vantagens e desvantagens que caracterizam este tipo de baterias são apresentadas na tabela 5:

Tabela 5 - Vantagens e desvantagens das baterias NaS [24], [26]

Vantagens Desvantagens

Feita com materiais baratos Necessita de uma temperatura perto dos 350ºC de modo a manter o electrólito no estado líquido

Longo ciclo de vida Possibilidade de o electrólito criar micro fissuras e entrar em contacto com o enxofre com resultados perigosos

Elevada densidade energética e de potência

23 2.3.1.5 - Baterias de Cloreto de Níquel - Sódio Metálico (ZEBRA)

Trata-se de um tipo de baterias cuja origem remonta aos anos 70, altura em que foram desenvolvidas nos laboratórios do concelho para a pesquisa científica e industrial (CSIR), situados na cidade de Pretória na África do Sul. Aqui foi estudada a composição química de um eléctrodo de enxofre, no qual enxofre líquido fora introduzido numa estrutura zeólita. Porém a ausência de meios, para uma melhor análise deste eléctrodo, conduziu a um pedido de colaboração ao laboratório Harwell que para além de ter experiência em baterias de sódio/enxofre, possuía a tecnologia necessária. O mesmo laboratório atribuiu o nome de ZEBRA a estas baterias, cujo significado é: zeólitos aplicados na pesquisa de baterias em África. Porém, experiências levadas a cabo em laboratório não revelaram resultados animadores e o conceito foi abandonado [3].

Nos dias de hoje são constituídas por um ânodo de sódio no estado sólido, um cátodo de cloreto de níquel e por um electrólito composto por uma solução de tetracloroaluminato de sódio (NaAlCl4) [24].

As figuras 16 e 17 mostram uma bateria ZEBRA para instalação num autocarro eléctrico de fabrico italiano.

24

Figura 17 - Bateria Zebra instalada num autocarro eléctrico Gulliver de fabrico Italiano [35]

As vantagens e desvantagens destas baterias apresentam-se na tabela 6.

Tabela 6 - Vantagens e desvantagens das baterias ZEBRA [24], [6], [36]

Vantagens Desvantagens

Elevada energia específica, seis vezes superior às de chumbo

Requerem o uso de invólucro sob vácuo de modo reduzir as perdas por calor

Elevada potência específica Temperatura de funcionamento entre os 300 - 350ºC

Elevada densidade energética Necessário aquecimento lento antes de serem usadas. Se não forem usadas durante mais de um dia necessitam de aquecedores eléctricos

Longo ciclo de vida idêntico às de Sulfureto de Sódio

Elevada auto-descarga. Pode atingir os 10%

Sem efeito de memória Longo período de carga Elaborada com materiais renováveis

2.3.1.6 - Baterias de Iões de Litio (Li-Ion)

Fruto do trabalho pioneiro de Gilbert Newton Lewis, surge em 1912 a primeira bateria de lítio. Mais tarde, nos anos 70 foram levados a cabo esforços para desenvolver uma bateria de lítio recarregável, mas devido a problemas relacionados com a utilização das mesmas de forma segura, tal não foi possível.

No ano de 1991 começam a ser comercializadas pela Sony as primeiras baterias de iões de lítio. Na altura, estas continham um produto derivado do carvão no eléctrodo negativo (ânodo), porém pesquisas posteriores revelaram que o uso de grafite permitia um fornecimento de energia mais duradouro face ao derivado do carvão. No caso do eléctrodo positivo (cátodo) foram usados dois componentes, o cobalto e o manganês. A

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principal diferença reside no facto do manganês ser mais seguro e mais resistente em caso de sobrecarga do que o cobalto. [26]

Actualmente são compostas por um ânodo de grafite contendo iões de lítio no seu interior, um cátodo de óxido de lítio e por um electrólito formado por uma solução líquida de lítio. Também possuem membranas cuja função consiste em separar os electrões dos iões de lítio [24].

A figura 18 mostra parte do interior de uma bateria de iões de lítio.

Figura 18 – Exemplo de uma bateria de iões de Lítio [37]

As baterias de lítio, tal como noutros casos apresentam vantagens e desvantagens que se resumem na tabela 7.

Tabela 7 - Vantagens e desvantagens das baterias Li-Ion [26], [38]

Vantagens Desvantagens

Elevada densidade de energia Necessita de circuito de protecção para manter os níveis de tensão dentro da bateria

Elevada energia específica Corrente de descarga moderada Certos tipos de bateria de lítio possuem

elevada capacidade de descarga

Susceptível de deterioração da capacidade. O armazenamento da mesma com uma carga de 40% reduz este efeito

Baixa auto-descarga Custo elevado face a outras baterias

Pouca manutenção Sujeita a restrições no transporte de grandes quantidades

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2.3.1.7 - Baterias de Polímero de Lítio

Foi inicialmente criada nos anos 70 e a sua principal característica residia no facto do electrólito usado ser um electrólito de polímero e se encontrar no estado sólido, ao invés do estado líquido. O uso deste tipo de electrólito (parecido com um filme de plástico) permitia a passagem dos iões, sem no entanto permitir a passagem da electricidade. Em termos construtivos, a utilização do electrólito de polímero conduz à simplificação de todo o processo, para além de possibilitar a integração destas baterias nas mais diversas aplicações, uma vez que as mesmas podem ter espessuras reduzidas, ocupando assim pouco espaço.

No entanto as baterias de polímero de lítio apresentam uma fraca condutividade, pois a sua resistência interna apresenta um valor elevado, descendo quando as mesmas são submetidas a temperaturas na ordem dos 60ºC, melhorando assim a sua condutividade. Com vista à resolução deste problema foi adicionado um electrólito em gel [26], [38]. A figura 19 mostra uma bateria de polímero de lítio.

Figura 19 - Bateria de Polímero de Lítio produzida pela Lockheed –Martin [39]

A tabela 8 evidencia de forma reduzida as vantagens e desvantagens das baterias de polímero de lítio.

27 Tabela 8 - Vantagens e desvantagens das baterias de Polímero de Lítio [38]

Vantagens Desvantagens

Elevada densidade de energia Restrições no seu transporte (no caso das companhias aéreas)

Não requerem manutenção Se perfurada pode originar explosão Reduzida auto-descarga Tecnologia em aperfeiçoamento

Baixo peso Requer um circuito de protecção de modo a manter os níveis de tensão na bateria Não possui efeito de memória Susceptível de deterioração da capacidade.

O armazenamento da mesma com uma carga de 40% reduz este efeito

Espessuras reduzidas

Permite o embalamento de diversas formas

2.3.1.8- Baterias de Lítio Fosfato de Ferro (LiFePO4)

Este tipo de baterias foi descoberto por John Goodenough no ano de 1997 [40]. Constitui uma das variantes que existem nas baterias de iões de lítio, sendo constituídas por um eléctrodo negativo de grafite, um eléctrodo positivo de lítio fosfato de ferro (LiFePO4) e por um electrólito de sal de lítio (LiPF6) impregnado num material separador [41].

A utilização de fosfato de ferro no cátodo torna estas baterias mais seguras, mesmo em situações de sobrecarga ou curto-circuito, dado tratar-se de um composto bastante estável. Para além disso, em caso de aquecimento excessivo este composto não se danifica. As figuras 20 e 21 mostram uma bateria de LiFePO4 e um exemplo de aplicação deste tipo de baterias, respectivamente.

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Figura 21 - Figura – Autocarro alimentado a baterias de LiFePO4 [43]

As vantagens e desvantagens destas baterias estão mencionadas na tabela 9.

Tabela 9 - Vantagens e desvantagens das baterias LiFePO4 [40], [41], [44], [45]

Vantagens Desvantagens

Utiliza materiais baratos e não tóxicos Eléctrodos com baixa condutividade Boa estabilidade química e térmica, o que

as torna muito seguras

Em aplicações que necessitem de elevadas taxas de descarga o seu desempenho é fraco

Bateria amiga do ambiente na produção e reciclagem

A fim de melhorar os pontos anteriores é necessária a utilização de nano materiais Não possuem efeito de memória

Funcionam numa variada amplitude de temperaturas (-20 ºC a +70 ºC)

Longo ciclo de vida (>1000 ciclos)

2.3.1.9 - Baterias de Ar-Alumínio

Todas as baterias anteriormente referidas permitiam o seu carregamento bastando para tal ligá-las a um carregador adequado. Contudo, tanto as baterias de ar - alumínio como as de ar - zinco têm um conceito totalmente diferente de bateria recarregável, pois tanto os componentes que formam os eléctrodos como os que formam o electrólito têm que ser substituídos quando a carga da bateria chega ao fim, tendo certas parecenças com os automóveis convencionais no que toca ao combustível dentro do depósito. Os componentes substituídos são posteriormente reciclados e reutilizados quando for necessário.

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O eléctrodo negativo (ânodo) é composto por alumínio, o positivo (cátodo) consiste numa estrutura porosa feita de uma malha metálica na qual é prensada uma camada de carbono catalisada, e o eléctrodo consiste numa solução alcalina de hidróxido de potássio [6].

A figura 22 mostra uma bateria deste género.

Figura 22 - Bateria de Ar - Alumínio produzida pela empresa Phinergy [46]

Na tabela 10 apresentam-se as vantagens e desvantagens destas baterias.

Tabela 10 - Vantagens e desvantagens das baterias de Alumínio – Ar [3]

Vantagens Desvantagens

Elevada energia específica Necessária substituição das placas de alumínio, pois o funcionamento da bateria origina corrosão nas mesmas

Recarga da bateria mais rápida Baixa eficiência energética 2.3.1.10- Baterias de Ar-Zinco

São semelhantes às baterias de ar - alumínio, mas possuem uma potência específica muito superior, o que as torna adequadas para serem aplicadas em EVs.

A nível construtivo possuem um eléctrodo positivo poroso, onde ocorre a reacção entre o oxigénio e o electrólito, um electrólito composto por uma solução alcalina de hidróxido de potássio (KOH) e por um eléctrodo negativo feito de zinco [6].

As figuras 23 e 24 mostram o interior de uma bateria ar - zinco e a mesma em pormenor, respectivamente.

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Figura 23 - Bateria de Ar – Zinco [47]

Figura 24 - Pormenor da bateria de Ar – Zinco [47]

As vantagens e desvantagens destas baterias encontram-se na tabela 11

Tabela 11 - Vantagens e desvantagens das baterias de Ar – Zinco [6]

Vantagens Desvantagens

Potência específica 10 vezes superior á de ar -alumínio

Elevada auto-descarga

Baixo tempo de recarga Comercialmente pouco disponível Elevada densidade energética Resistência interna mediana Elevada energia específica